机械的运动方案及机构的创新设计

1、 第十章第十章 机械的运动方案及机构的创新设计机械的运动方案及机构的创新设计 101 概概 述述 机械产品的设计过程：机械产品的设计过程：为成功创造出满足设计要求的装为成功创造出满足设计要求的装置、产品或系统所遵循的逻辑过程。置、产品或系统所遵循的逻辑过程。 设计过程的三个阶段：设计过程的三个阶段： 产品的规划与任务分解产品的规划与任务分解-设计需求与约束条件的分析与分解，形设计需求与约束条件的分析与分解，形成设计要求与设计任务书。成设计要求与设计任务书。 方案设计方案设计-提出机械运动方案，绘制机构运动简图。提出机械运动方案，绘制机构运动简图。 详细设计详细设计-结构设计、强度计算、形成技术

2、文件。结构设计、强度计算、形成技术文件。 一、运动方案设计的必备知识一、运动方案设计的必备知识 为了顺利地进行机械运动方案设计，必须掌握必要的知识和为了顺利地进行机械运动方案设计，必须掌握必要的知识和环境信息，必须了解有关学科在实现运动方案设计中所能起到的环境信息，必须了解有关学科在实现运动方案设计中所能起到的作用。作用。 1 . 充 分 了 解 并 掌 握 各 种 常 用 机 构 的 基 本 知 识 ；充 分 了 解 并 掌 握 各 种 常 用 机 构 的 基 本 知 识 ； 2 . 必 须 了 解 和 掌 握 各 种 动 力 源 的 性 能 和 使 用 要 求 ；必 须 了 解 和 掌 握

3、 各 种 动 力 源 的 性 能 和 使 用 要 求 ； 3.必须熟悉对设计方案的选择有重要影响的周围环境的信息；必须熟悉对设计方案的选择有重要影响的周围环境的信息； 4.充分重视其他学科的技术应用。充分重视其他学科的技术应用。二、机械运动方案的创新设计设计二、机械运动方案的创新设计设计 机械运动方案设计是对机械进行设计的最为重要的环节。机械运动方案设计是对机械进行设计的最为重要的环节。所谓运动方案的设计，即是设计者通过何种原动机及何种所谓运动方案的设计，即是设计者通过何种原动机及何种机构组合为一部完成特定工作任务的机械系统的全面构思，机构组合为一部完成特定工作任务的机械系统的全面构思，经过参

4、数计算与选择用机构运动简图表示出来。经过参数计算与选择用机构运动简图表示出来。 机械运动方案设计必须根据生产方式和机器的基本功用进机械运动方案设计必须根据生产方式和机器的基本功用进行设计行设计,在设计时，应用各种技法（分析综合法、思维扩在设计时，应用各种技法（分析综合法、思维扩展法、还原创新法等）借鉴同类产品的经验和最新科技成展法、还原创新法等）借鉴同类产品的经验和最新科技成果，拟订出合理的工作原理，对不同的工作原理及运动方果，拟订出合理的工作原理，对不同的工作原理及运动方案进行综合评价，从中选出最优的工作原理和运动方案。案进行综合评价，从中选出最优的工作原理和运动方案。 三、运动方案设计的主

5、要步骤三、运动方案设计的主要步骤1.工艺参数的给定及运动参数的确定；工艺参数的给定及运动参数的确定；2.执行构件间运动关系的确定及运动循环图的绘制；执行构件间运动关系的确定及运动循环图的绘制； 3.动力源的选择及执行机构的确定；动力源的选择及执行机构的确定；4.机构的选择及创新性设计；机构的选择及创新性设计；5.方案的比较与决策。方案的比较与决策。 102原动机、传动机构和执行机构的类型和选择原动机、传动机构和执行机构的类型和选择 一、原动机的类型及应用一、原动机的类型及应用 原动机的动力源主要有电、液及气三种。原动机的动力源主要有电、液及气三种。 电动机是最常用的原动机，交流异步电动机、直流

6、电动机、电动机是最常用的原动机，交流异步电动机、直流电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机及步进电动机等均有广泛的交流伺服电动机、直流伺服电动机及步进电动机等均有广泛的应用。应用。 液压马达及液压油缸是主要的液压原动机。液压马达及液压油缸是主要的液压原动机。 气马达及气缸则是主要的气压原动机。气马达及气缸则是主要的气压原动机。机械系统的运动形式机械系统的运动形式 原动机运原动机运动一般有动一般有均匀速运均匀速运动、直线动、直线往复两种往复两种主要形式。主要形式。机构设计机构设计一般常将一般常将原动件运原动件运动转变成动转变成如下的各如下的各种运动要种运动要求。求。实现铡体的位置导引实现函数的模

7、拟机构实现预期轨迹的运动差动机构单向机构换向间歇转动间歇移动间歇摆动间歇运动可调行程机构行程放大机构构行程放大与可调行程机往复运动非匀速转动可变传动比定传动比转动机构匀速转动统系动传直线往复匀速转动原动机, 交流异步电动机的机械特交流异步电动机的机械特性曲线如图所示，它适应性曲线如图所示，它适应于启动时大扭距、低转速于启动时大扭距、低转速的要求的要求异步电动机异步电动机 转速（转速（r/min）：）：3000、1500、1000、750 额定功率（额定功率（kW）：）：0.75、1.1、1.5、2.2、3.0、4.0、5.5、7.5、11、18.5、22、30、37、45、55、75、90、1

8、10、132、160、200 效率（效率（%）：）：0.750.95nOM直流电动机直流电动机 直流电动机可用作电动机或发电机，还有其它特殊用直流电动机可用作电动机或发电机，还有其它特殊用途。途。它具有下列特点：它具有下列特点：（1）优良的调速特性。）优良的调速特性。调速平滑、方便、范围广，转速比调速平滑、方便、范围广，转速比可达可达1：200；（2）过载能力大。）过载能力大。轧钢用直流电动机短时过转矩可达到额轧钢用直流电动机短时过转矩可达到额定转矩的定转矩的2.5倍及以上，特殊要求的可以达到倍及以上，特殊要求的可以达到10倍，并能倍，并能在低速下连续输出较大转矩。在低速下连续输出较大转矩。（

9、3）能承受频繁的冲击性负载。）能承受频繁的冲击性负载。 4）可实现频繁的无级快速起动、制动和反转。可实现频繁的无级快速起动、制动和反转。（5）能满足生产过程自动系统各种不同的特殊运行要求。）能满足生产过程自动系统各种不同的特殊运行要求。（6）缺点是直流电动机结构复杂，制造成本高，维护工作）缺点是直流电动机结构复杂，制造成本高，维护工作量大。量大。伺服电机伺服电机在精密的机械设备中，如数控机床、机在精密的机械设备中，如数控机床、机器人等均采用伺服电动机作为原动机，器人等均采用伺服电动机作为原动机，伺服电动机的机械特性曲线如图所示。伺服电动机的机械特性曲线如图所示。其最大的优点为：在非连续工作区可

10、其最大的优点为：在非连续工作区可以给出大的扭矩。以给出大的扭矩。 伺服电动机的反馈环节是光电码盘伺服电动机的反馈环节是光电码盘来实现的。主要控制方式有位置反馈来实现的。主要控制方式有位置反馈和速度反馈两种形式。和速度反馈两种形式。伺服电动机有直流伺服和交流伺服两种伺服电动机有直流伺服和交流伺服两种电动机。它的主要特点是无刷驱动，电动机。它的主要特点是无刷驱动，它的驱动是由一个专门的驱动器来完它的驱动是由一个专门的驱动器来完成，驱动器可以与其它控制器相联接成，驱动器可以与其它控制器相联接（公控机或（公控机或PLC等等）。）。交流伺服技术交流伺服技术近几年得到快速发展，它将成为今后近几年得到快速发

11、展，它将成为今后伺服电机的主流产品。伺服电机的主流产品。连续工作区断续工作区nOM步进电机步进电机步进电机可以根据脉冲的个数和频率输出转角和转速，它主步进电机可以根据脉冲的个数和频率输出转角和转速，它主要用在精度不高，工作阻力不大的开环控制中。步进电机要用在精度不高，工作阻力不大的开环控制中。步进电机有三相和五相输入形式，输入频率一般小于有三相和五相输入形式，输入频率一般小于10K，步距角，步距角一般有一般有0.75度，一般运用转速较低。度，一般运用转速较低。电机的种类很多，有些电动机直接电动装置，可直接选用。电机的种类很多，有些电动机直接电动装置，可直接选用。电机的选择对整个机械方案选择是最

12、为重要的，对设备的电机的选择对整个机械方案选择是最为重要的，对设备的性能有十分重要影响，必须充分重视。性能有十分重要影响，必须充分重视。液压动力源与气动动力源液压动力源与气动动力源液压缸是实现直线运动的基本动力原件。液压缸是实现直线运动的基本动力原件。 直线运动液压缸的类型有：单作用液压缸、双作用液直线运动液压缸的类型有：单作用液压缸、双作用液压缸、组合式液压缸。压缸、组合式液压缸。 摆动液压缸有：单片式、双片式等形式。摆动液压缸有：单片式、双片式等形式。气动系统已成为实用的工业设备，未来的发展前途更是无气动系统已成为实用的工业设备，未来的发展前途更是无可限量，作为动力源气缸是最常用的气动原件

13、。气动和可限量，作为动力源气缸是最常用的气动原件。气动和液动的区别：液压系统输入功率大，在环境污染和泄露液动的区别：液压系统输入功率大，在环境污染和泄露严重，气压系统无污染，动作快，但承受的载荷较小。严重，气压系统无污染，动作快，但承受的载荷较小。 气缸种类极其繁多，不一一介绍。下图为气缸种类极其繁多，不一一介绍。下图为SMC公司公司的一种无杆气缸原件，这种气缸占据空间小，请分析其的一种无杆气缸原件，这种气缸占据空间小，请分析其结构原理。结构原理。 二、传动机构的类型及功用二、传动机构的类型及功用 常用的传动机构有：常用的传动机构有： 1.齿轮机构齿轮机构 齿轮机构应用在中心距较小，传动精度较

14、高，各种不同齿轮机构应用在中心距较小，传动精度较高，各种不同传递动力范围的场合。传递动力范围的场合。 2.螺旋机构螺旋机构 在许多机械设备中大量应用着螺旋机构（又称丝杠传在许多机械设备中大量应用着螺旋机构（又称丝杠传动），它主要用于将回转运动转变为直线运动。动），它主要用于将回转运动转变为直线运动。 3.带传动与链传动带传动与链传动 带传动及链传动多用于中心距较大的传动。带传动及链传动多用于中心距较大的传动。 4.连杆机构连杆机构 连杆机构在机械设备及日常生活中有大量应用。连杆机构在机械设备及日常生活中有大量应用。 5.凸轮机构。凸轮机构。 由于凸轮机构是高副接触，决定了这种机构主要用于传由于

15、凸轮机构是高副接触，决定了这种机构主要用于传递运动。递运动。几种常用传动机构的基本特性几种常用传动机构的基本特性齿轮机构蜗杆蜗轮机构带传动链传动连杆机构凸轮机构螺旋机构优点传动比准确，外廓尺寸小，交率高，寿命长，功率及速度范围广，适宜于短距离传动传动比大, 可实现反向自锁, 用于空间交错轴传动 ,传动平稳中心距变化范围广, 可用于长距离传动 , 可吸振 , 能起到缓冲及过载保护作用中心距变化范围广, 可用于长距离传动 , 平均传动比准确 , 特殊链可用于传送物料适用于宽广的载菏范围 , 可实现不同的运动轨迹 , 可用于急回 ,增力,加大或缩小行程等能实现各种运动规律 , 机构紧凑可改变运动形式

16、 : 转动变移动, 传力比较大缺点制造精度要求高效率较低有打滑现象 , 轴上受力较大有振动冲击 , 有多边形效应设计复杂 , 不宜高速运动易磨损 , 主要用于运动传递滑动螺旋刚度较差, 效率不高效率开式 0.920.96闭式 0.960.99开式 0.50.7闭式 0.70.9自锁 0.40.45平皮带 0.920.98三角带 0.920.94同步齿形带0.960.98开式 0.90.93闭式 0.950.97在运动过程中效率随时发生变化随运动位置和压力角不同,效率亦不同滑动 0.30.6滚动 0.850.98速度6 级精度直齿 v18m/s6 级精度非直齿 v36m/s5 级精度直齿 v20

17、0m/s圆弧齿轮 v100m/s滑动速度v 1535m/s三角带25kW同步齿形带50m/s滚子链15m/s齿形链30m/s功率渐开线齿轮 50000kW圆弧齿轮 6000kW锥齿轮 1000kW小于 750kW常用为 50kW 以下三角带40kW同步齿形带200750 kW最大可达 3500kW通常为 100kW 以下传动比一对圆柱齿轮 i10通常 i5一对圆锥齿轮 i8通常 i3开式 i100常用 i1560闭式 i60常用 i1040平皮带 i5三角带 i7同步齿形带i 10滚子链 i710齿形链 i15其他主要用于传动主要用于传动常用于传动链的高速端常用于传动链中速度较低处既可做为传动

18、机构又可做为执行机构主要用于执行机构主要用于转变运动形式 , 可做为调整机构三、三、 基本机构的组合基本机构的组合 基本机构的组合大致可分为三种形式。基本机构的组合大致可分为三种形式。 （1）串接式）串接式 主动件主动件1的运动的运动 (t)依次通过基本机构依次通过基本机构I和和II，使从动件，使从动件2获得某获得某一运动规律一运动规律 (t)，在这种组合机构中前一机构的从动件往往又是后，在这种组合机构中前一机构的从动件往往又是后一机构的主动件。一机构的主动件。 （2）并联式）并联式 主动件主动件1的运动的运动 (t)同时传给同时传给基本机构基本机构I和和II，使它们具有相同的，使它们具有相同

19、的运动规律运动规律 1(t)或不相同的运动规律或不相同的运动规律 1(t)和和 2(t)，并通过具有两个，并通过具有两个自由度的差劝机构自由度的差劝机构III使从动件使从动件2获得合成的运动规律获得合成的运动规律 (t) 。III使运动叠加后，传给从动件使运动叠加后，传给从动件2，其运动规律为，其运动规律为 (t) 。（3）组合式）组合式 组成复合式组成复合式组合机构时，组合机构时，基本机构有机基本机构有机联结，互相依联结，互相依存。基本机构存。基本机构I或或II中主动件中主动件的运动的运动 (t)，通过机构通过机构I、II中部分构件组中部分构件组成的差动机构成的差动机构III使运动叠加使运动

20、叠加后，传给从动后，传给从动件件2，其运动，其运动规律为规律为 (t) 。 三、执行机构的运动类型及典型机构三、执行机构的运动类型及典型机构 机器中最接近被作业工件一端的机构称为执行机构。执行机构中接触机器中最接近被作业工件一端的机构称为执行机构。执行机构中接触工件或执行终端运动的构件称为执行构件。机器通过执行构件完成作业任工件或执行终端运动的构件称为执行构件。机器通过执行构件完成作业任务。务。 执行机构的运动分为直线运动、回转运动、任意轨迹运动、点到点的执行机构的运动分为直线运动、回转运动、任意轨迹运动、点到点的运动及位到位的运动等主要五种运动形式。实现不同运动形式的典型机构运动及位到位的运

21、动等主要五种运动形式。实现不同运动形式的典型机构主要有：主要有： 1.直线运动的机构直线运动的机构 1) 齿轮齿轮-齿条机构齿条机构 齿轮的正、反向回转可以使齿条做往复直线运动齿轮的正、反向回转可以使齿条做往复直线运动 2) 螺旋机构螺旋机构 丝杠的回转可以使螺母实现往复直线运动丝杠的回转可以使螺母实现往复直线运动 3) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 当曲柄连续回转时，滑块可做往复直线运动当曲柄连续回转时，滑块可做往复直线运动 4) 有特定尺寸的四杆机构（连杆曲线在某一区段的直线运动）有特定尺寸的四杆机构（连杆曲线在某一区段的直线运动） 当四杆机构中的杆件尺寸满足当四杆机构中的杆件尺寸满足BC=C

22、D=CM=2.5AB，AD=2AB时，曲时，曲柄连续回转，则连杆上的柄连续回转，则连杆上的M点在某一运动段上其轨迹为近似直线点在某一运动段上其轨迹为近似直线 5) 链传动（直线段部分的运动）链传动（直线段部分的运动） 带有翼片的链传动，可以拖动被作业件在两链轮间的直线段做直线运带有翼片的链传动，可以拖动被作业件在两链轮间的直线段做直线运动。动。 2.回转运动的机构回转运动的机构 1) 齿轮传动机构齿轮传动机构 2) 双曲柄机构双曲柄机构 一曲柄回转可带动另一曲柄做等速或不等速回转运动一曲柄回转可带动另一曲柄做等速或不等速回转运动 3) 链传动及带传动链传动及带传动 可以实现较长距离的回转运动可

23、以实现较长距离的回转运动 3.任意轨迹运动的机构任意轨迹运动的机构 1) 四杆机构（连杆曲线）四杆机构（连杆曲线） 四杆机构的连杆上的每一点均可以实现一定的封闭运动四杆机构的连杆上的每一点均可以实现一定的封闭运动轨迹轨迹 2) 开式链机构开式链机构 任何开式链机构上的端点都可以实现一定的运动轨迹，任何开式链机构上的端点都可以实现一定的运动轨迹，工业机器人操作机大多是由开链机构组成的。工业机器人操作机大多是由开链机构组成的。 4.点到点的运动机构点到点的运动机构 1)曲柄滑块机构曲柄滑块机构 合理的设计曲柄滑块机构的尺寸，可以实现滑块的点到点合理的设计曲柄滑块机构的尺寸，可以实现滑块的点到点的运

24、动的运动 2)凸轮机构凸轮机构 摆动从动件凸轮机构及直动从动件凸轮机构均可实现点到摆动从动件凸轮机构及直动从动件凸轮机构均可实现点到点的运动点的运动 5.位到位的运动机构位到位的运动机构 在四杆机构应用中，连杆及摇杆占据空间两个及两个以上在四杆机构应用中，连杆及摇杆占据空间两个及两个以上位置的情况随处可见，如：位置的情况随处可见，如： 1)热处理炉炉门开闭机构热处理炉炉门开闭机构 炉门可以占据开启和闭合两个位置炉门可以占据开启和闭合两个位置 2)飞机起落架机构飞机起落架机构 起落架可以使轮子占据收起和放下两个位置起落架可以使轮子占据收起和放下两个位置103 机械运动方案的设计机械运动方案的设计

25、 机械的运动方案设计包括从机械的运动方案设计包括从原动机原动机传动机构传动机构执行机构执行机构的整个系统的的整个系统的设计，其结果是给出一份设计，其结果是给出一份满足运动性能要求的运动简图满足运动性能要求的运动简图。一、工艺参数的给定及原动机的选择一、工艺参数的给定及原动机的选择 在概述中对牛头刨床的运动方案设计已给出了主要的工艺参数在概述中对牛头刨床的运动方案设计已给出了主要的工艺参数运运动参数，以及由此而确定的力参数。切削力的大小影响着机构的选取，因为动参数，以及由此而确定的力参数。切削力的大小影响着机构的选取，因为某些机构无法承受大的作用力。某些机构无法承受大的作用力。运动参数应包括运动

26、形式（直线运动、回转运动参数应包括运动形式（直线运动、回转运动、曲线运动）、运动特点（连续式、间歇式、往复式）、运动范围（极运动、曲线运动）、运动特点（连续式、间歇式、往复式）、运动范围（极限尺寸、转角及位移）、运动速度（等速、不等速）等。运动参数是由机械限尺寸、转角及位移）、运动速度（等速、不等速）等。运动参数是由机械的工艺要求决定的。力的参数，的工艺要求决定的。力的参数，如牛头刨床中的切削力的大小，锻压机械中如牛头刨床中的切削力的大小，锻压机械中压头的压力大小等都是压头的压力大小等都是由机械的工艺要求决定的。由机械的工艺要求决定的。有时，某些参数需由设计有时，某些参数需由设计者计算得到。者

27、计算得到。 根据运动参数，参考力的参数，考虑粗略的、大致的传动方案（注意根据运动参数，参考力的参数，考虑粗略的、大致的传动方案（注意对传动精度的要求），比较其繁简，并依据现有条件，综合选择原动机的类对传动精度的要求），比较其繁简，并依据现有条件，综合选择原动机的类型。一般地说，型。一般地说，应首选电动机应首选电动机，但也并非尽然。在满足工作性能要求、现场，但也并非尽然。在满足工作性能要求、现场允许的条件下，允许的条件下，有时也用液压或气压驱动源有时也用液压或气压驱动源。 原动机的不同选择对机械传动系统的设计、组成的繁简以及性能的优原动机的不同选择对机械传动系统的设计、组成的繁简以及性能的优劣都

28、有着重要的影响。劣都有着重要的影响。二、执行机构的运动协调与运动循环图二、执行机构的运动协调与运动循环图 多数机器不只有一个执行构件，往往是许多执行构件协调工作以完成同多数机器不只有一个执行构件，往往是许多执行构件协调工作以完成同一任务。运动循环图即可表示出各执行机构间的时序协调关系。另一种情况一任务。运动循环图即可表示出各执行机构间的时序协调关系。另一种情况是，某些机械的多个执行构件在完成同一任务时，需有准确而协调的运动时是，某些机械的多个执行构件在完成同一任务时，需有准确而协调的运动时间和运动顺序的安排，以防止出现某一执行构件工作不到位或两个以上执行间和运动顺序的安排，以防止出现某一执行构

29、件工作不到位或两个以上执行构件在同一空间发生干涉。构件在同一空间发生干涉。 牛头刨床的三种运动循环图：牛头刨床的三种运动循环图：直线式运动循环图，圆周式运动循环图及直线式运动循环图，圆周式运动循环图及直角坐标式运动循环图。直角坐标式运动循环图。所谓运动循环图所谓运动循环图就是标明机械在一个循环中各执行构件就是标明机械在一个循环中各执行构件间的元旦配合与时序关系。间的元旦配合与时序关系。通常有三种表达形式：通常有三种表达形式：直线式运动循环图：直线式运动循环图：动作时序清晰明了，适于机械执行动作时序清晰明了，适于机械执行构件比较少的时候使用。构件比较少的时候使用。圆周式运动循环图：圆周式运动循环

30、图：各执行构件的运动与机械原动件或各执行构件的运动与机械原动件或标定件的相位关系清楚，它给凸轮机构的设计、安装、标定件的相位关系清楚，它给凸轮机构的设计、安装、调试带来方便，但是，同心圆较多，看上去杂乱。调试带来方便，但是，同心圆较多，看上去杂乱。直角坐标式运动循环图：直角坐标式运动循环图：是用执行构件的位移图线表示是用执行构件的位移图线表示其运动时序，将其工作行程、空行程及停歇区段分别以其运动时序，将其工作行程、空行程及停歇区段分别以上升、下降及水平线表示，这种运动图线能清楚的表达上升、下降及水平线表示，这种运动图线能清楚的表达出执行构件的位移情况及相互关系。出执行构件的位移情况及相互关系。

31、三、机械运动方案设计的一般原则三、机械运动方案设计的一般原则1.传动链应尽可能短；传动链应尽可能短；（1）中间传动环节过于复杂，一部电动机带动多条传动链；（）中间传动环节过于复杂，一部电动机带动多条传动链；（2）动）动力源安装位置距执行机构过远；（力源安装位置距执行机构过远；（3）变换运动形式及转动方向的环节）变换运动形式及转动方向的环节太多等等。过长的传动链会引起传动精度和传动效率的降低，增加成太多等等。过长的传动链会引起传动精度和传动效率的降低，增加成本，或使故障率增加。本，或使故障率增加。2.机械效率应尽可能高；机械效率应尽可能高；有些机构传动效率较低，在设计过程中一定要认真加以考虑。在

32、有些有些机构传动效率较低，在设计过程中一定要认真加以考虑。在有些工作位置也可能出现自锁现象，致使机器不能正常工作。工作位置也可能出现自锁现象，致使机器不能正常工作。 3.传动比的分配应尽可能合理；传动比的分配应尽可能合理；传动比的分配要注意一级传动时最大传动比的限制，各级传动比的分传动比的分配要注意一级传动时最大传动比的限制，各级传动比的分配原则应当是从电机的执行机构一般由小到大，使高速端承受低扭矩，配原则应当是从电机的执行机构一般由小到大，使高速端承受低扭矩，结构合理、机构紧凑。结构合理、机构紧凑。 4.传动机构的顺序安排应尽可能恰当；传动机构的顺序安排应尽可能恰当；带传动不易传递大扭矩，多

33、安排在高速端，凸轮机构一般用于传动系带传动不易传递大扭矩，多安排在高速端，凸轮机构一般用于传动系统的末端。统的末端。 5.机械的安全运转必须保证。机械的安全运转必须保证。四、机械运动方案的评价四、机械运动方案的评价 实现同一工作任务，且满足工艺要求和性能指标时，可以设计出多种实现同一工作任务，且满足工艺要求和性能指标时，可以设计出多种机械运动方案来。必须再经过充分的、细致的分析比较，以决定取舍。最机械运动方案来。必须再经过充分的、细致的分析比较，以决定取舍。最后保留的设计方案应是最优方案。每一部机器都是由原动机，执行机构及后保留的设计方案应是最优方案。每一部机器都是由原动机，执行机构及传动机构

34、组成的，因此需分别对原动机及各机构进行评价，然后经综合可传动机构组成的，因此需分别对原动机及各机构进行评价，然后经综合可获得对一部机器整机的评价。建立评价体系是量化评价的方法之一。获得对一部机器整机的评价。建立评价体系是量化评价的方法之一。 评价体系可将机构评价指标划分为五大类型，它们是评价体系可将机构评价指标划分为五大类型，它们是: (1)机构的功能机构的功能; (2)机构的工作性能机构的工作性能; (3)机构的动力性能机构的动力性能; (4)经济性经济性; (5)机构紧凑性。机构紧凑性。 评价时分别对五大类型及更为细致的子项给出分值，然后对整机进行评价时分别对五大类型及更为细致的子项给出分

35、值，然后对整机进行比较比较 假定设计方案均满足假定设计方案均满足(1)、(2)两大类型要求，则应对不同两大类型要求，则应对不同方案重点进行方案重点进行(3)、(4)、(5)的比较。的比较。 运转平稳、加速度小、无冲击和噪声，这对大型机械是十运转平稳、加速度小、无冲击和噪声，这对大型机械是十分重要的评价指标，尤其对未获得在基座上平衡的连杆机构更分重要的评价指标，尤其对未获得在基座上平衡的连杆机构更是如此。是如此。 机械的结构简单、尺寸紧凑、重量轻、传动链短、工作可机械的结构简单、尺寸紧凑、重量轻、传动链短、工作可靠是又一重要的评价指标。靠是又一重要的评价指标。 制造难易，调整的方便性，维修的方便

36、性直接影响着机构制造难易，调整的方便性，维修的方便性直接影响着机构及机械的经济性，这是不可忽视的第三方面的评价指标。及机械的经济性，这是不可忽视的第三方面的评价指标。 综合考虑各方面评价指标，才能在诸多机械运动方案的设综合考虑各方面评价指标，才能在诸多机械运动方案的设计中选出最优者。计中选出最优者。 五、机械运动方案设计举例五、机械运动方案设计举例 问题一问题一 印刷机的送纸机构为例进行机械运动方案设计。印刷机的送纸机构为例进行机械运动方案设计。 1)、任务的分析及运动参数的确定、任务的分析及运动参数的确定 要求要求 一叠纸中的第一张与其它纸张分离并送出，每分钟一叠纸中的第一张与其它纸张分离并

37、送出，每分钟送出送出30张。因此有：张。因此有： (1)送出多远？送出多远？ (2)如何实现纸张分离？如何实现纸张分离？ (3)选用何种动力源驱动送纸机构？选用何种动力源驱动送纸机构？ (4)送纸机构的执行构件应按何种轨迹运动？送纸机构的执行构件应按何种轨迹运动？ 吸头的三种运动轨迹图形。运动轨迹是吸纸机构方案设计的吸头的三种运动轨迹图形。运动轨迹是吸纸机构方案设计的重要依据。重要依据。 方案方案1中中 (1)为提纸，为提纸，(2) 为送纸，为送纸，(3)为回程；为回程； 方案方案2中中 (1)为提纸和送纸同时进行，为提纸和送纸同时进行，(2)及及(3)为回程；为回程； 方案方案3中中 (1)

38、为提纸及送纸，为提纸及送纸，(2)为回程。为回程。 2）动力源的选择与执行机构的确定）动力源的选择与执行机构的确定 采用电动机作为动力源，采用真空吸盘提起纸张。根据采用电动机作为动力源，采用真空吸盘提起纸张。根据吸头的运动轨迹，设计出三种机械运动方案。吸头的运动轨迹，设计出三种机械运动方案。 方案一是一个典型的凸轮方案一是一个典型的凸轮-连杆机构，三个同轴转动的凸连杆机构，三个同轴转动的凸轮可实现吸盘的吸纸轨迹及压脚的配合压纸动作。双连凸轮轮可实现吸盘的吸纸轨迹及压脚的配合压纸动作。双连凸轮1及及2封闭了七杆机构的两个自由度，使吸头位移，凸轮封闭了七杆机构的两个自由度，使吸头位移，凸轮3带动带

39、动压脚动作。压脚动作。 方案二和方案三也可实现上述轨迹及压脚的配合动作，方案二和方案三也可实现上述轨迹及压脚的配合动作，只不过运动速度和加速度分析与第一方案不同。只不过运动速度和加速度分析与第一方案不同。 3)绘制机构运动循环图绘制机构运动循环图 4)机械传动系统的设计机械传动系统的设计 104 机构的创新设计机构的创新设计 机构的创新设计是在新构思的基础上进行的设计，它包括对原有机构的机构的创新设计是在新构思的基础上进行的设计，它包括对原有机构的创新应用、新机构的构思和原动机的创新发展三个方面。创新应用、新机构的构思和原动机的创新发展三个方面。 一、机构的创新应用一、机构的创新应用 机构的创

40、新应用是仍然使用常见的机构，经过巧妙的构思，赋予机构以机构的创新应用是仍然使用常见的机构，经过巧妙的构思，赋予机构以新的应用。如无脚蹬自行车即是将自行车后轮安装成偏心轮，恰似曲柄的新的应用。如无脚蹬自行车即是将自行车后轮安装成偏心轮，恰似曲柄的形式，使后轮转动形式，使后轮转动 二、新机构的构思二、新机构的构思 1.原有机构的发展原有机构的发展 在对原有机构的应用中，由于其某些性能方面的不足，所以会出现一些新在对原有机构的应用中，由于其某些性能方面的不足，所以会出现一些新的机构。如齿轮传动的传动比较小，因而有蜗轮的机构。如齿轮传动的传动比较小，因而有蜗轮-蜗杆机构的出现，此后又有蜗杆机构的出现，

41、此后又有摆线针轮减速器和谐波减速器的出现等等。摆线针轮减速器和谐波减速器的出现等等。 2.新机构的创造新机构的创造 如利用纤维连杆将可逆旋转或摆动变换成直线往复运动的执行元件已用于如利用纤维连杆将可逆旋转或摆动变换成直线往复运动的执行元件已用于假手的研制中。假手的研制中。 3.组合机构组合机构 将几个机构采用并联封闭的形式组合后形成的机构称之为组合机构。组合将几个机构采用并联封闭的形式组合后形成的机构称之为组合机构。组合机构是机构创新设计的一个重要方面。机构是机构创新设计的一个重要方面。 1) 齿轮齿轮-连杆组合机构连杆组合机构 图图8-24是包装机械中常用的一种齿轮是包装机械中常用的一种齿轮

42、-连杆组合机构，它可以实现复杂的连杆组合机构，它可以实现复杂的运动规律，使齿轮运动规律，使齿轮5单向变速转动，瞬时停歇变速转动或具有反向转动的变单向变速转动，瞬时停歇变速转动或具有反向转动的变速转动等。速转动等。图图10-27为一种实现复杂轨迹曲线的齿轮为一种实现复杂轨迹曲线的齿轮-连杆机构。连杆的尺寸、连杆机构。连杆的尺寸、齿轮的传动比及齿轮的传动比及M点的位置不同，轨迹曲线则发生变化。点的位置不同，轨迹曲线则发生变化。图图10-272) 凸轮凸轮连杆组合机构连杆组合机构图图8-29为一凸轮为一凸轮-连杆滑块组合机构，这实质上是一个可变曲柄长度的对心连杆滑块组合机构，这实质上是一个可变曲柄长

43、度的对心曲柄滑块机构。曲柄滑块机构。3) 其他形式机构的组合其他形式机构的组合引进了非刚性构件或气体、液体等中间介质，使机构更适于控制。引进了非刚性构件或气体、液体等中间介质，使机构更适于控制。 三、原动机的创新发展三、原动机的创新发展 新型电动机和新材料驱动器的出现，可大大的简化机构的结构，甚至改变新型电动机和新材料驱动器的出现，可大大的简化机构的结构，甚至改变了传动机构的设计。了传动机构的设计。 1.新型电动机新型电动机 今天的一些电动机已与传统的形式有很大的不同，交流变频调速技术的应今天的一些电动机已与传统的形式有很大的不同，交流变频调速技术的应用大大简化了机械变速机构。用大大简化了机械

44、变速机构。直线电动机直线电动机可直接输出直线运动，采用这种电可直接输出直线运动，采用这种电动机将不再需要诸如滚珠丝杠等直线传动机构，并且具有非常高的传动定位动机将不再需要诸如滚珠丝杠等直线传动机构，并且具有非常高的传动定位精度（精度（m级）。例如使用直线驱动器的电子打字机运行稳定、机构简单、级）。例如使用直线驱动器的电子打字机运行稳定、机构简单、不需要调整。不需要调整。直接驱动电动机直接驱动电动机，不需要经齿轮等减速机构，而可直接用于机，不需要经齿轮等减速机构，而可直接用于机器人的关节驱动，大大简化了机构的结构。即使是传统的电动机，随着高磁器人的关节驱动，大大简化了机构的结构。即使是传统的电动

45、机，随着高磁性材料和化学加工方法的应用，其尺寸也越来越小。如使用照相刻蚀、电镀性材料和化学加工方法的应用，其尺寸也越来越小。如使用照相刻蚀、电镀方法制作的盒式录像机驱动用新型无刷直流电动机厚度仅为方法制作的盒式录像机驱动用新型无刷直流电动机厚度仅为4mm。其中。其中4层层绕组总厚度为绕组总厚度为0.7mm，永久磁铁厚度为，永久磁铁厚度为1mm。此外，还可采用硅技术（。此外，还可采用硅技术（IC制造技术）制作制造技术）制作微型电动机微型电动机。 2.新材料驱动器新材料驱动器 由于新材料的出现，产生了许多新型驱动原理与新型驱由于新材料的出现，产生了许多新型驱动原理与新型驱动器，它们给机构设计带来了

46、新思想。动器，它们给机构设计带来了新思想。 3.多自由度驱动器多自由度驱动器 多自由度机械需要多个原动件，每个原动件都需要一个多自由度机械需要多个原动件，每个原动件都需要一个驱动器，有时多个驱动器间还需要有一些机构作运动协调处理。驱动器，有时多个驱动器间还需要有一些机构作运动协调处理。多自由度驱动器在多自由度装置中应用，可以减少驱动器的数多自由度驱动器在多自由度装置中应用，可以减少驱动器的数目，省去这些作运动协调的机构，降低装置的复杂程度，减小目，省去这些作运动协调的机构，降低装置的复杂程度，减小体积，提高运动精度。如专门设计的光盘读写头二自由度驱动体积，提高运动精度。如专门设计的光盘读写头二

47、自由度驱动器，可实现驱动光盘旋转并准确移动读写头到所期望的轨道位器，可实现驱动光盘旋转并准确移动读写头到所期望的轨道位置。置。示例示例方案一方案一 抽油机（磕头机）机构抽油机（磕头机）机构方案二方案二 同步回转机器人手指同步回转机器人手指方案三方案三 无轨电车常力集电头无轨电车常力集电头方案四方案四 按给定力设计机器人手爪按给定力设计机器人手爪方案五方案五 三差动轮系三差动轮系方案一方案一抽油机（磕头机）机构抽油机（磕头机）机构该机构以构件该机构以构件1为原动件，由构件为原动件，由构件2、3及运动副及运动副B、C、D构成构成RRR二二级基本组。设计中应使连架杆上级基本组。设计中应使连架杆上E点所走的轨迹圆弧的曲率半径尺寸点所走的轨迹圆弧的曲率半径尺寸满足行程要求，同时又应使其总体结构尺寸尽量减小。在构件满足行程要求，同时又应使其总体结构尺寸尽量减小。在构件1上加上加有一定量的